Forskere tager et vigtigt skridt i retning af specialfremstillede nanoskala kemiske fabrikker

Forskere har for første gang genopbygget en byggesten i et geometrisk nanokammer, der forekommer naturligt i bakterier. De introducerede et metalbindingssted til dets skal, der tillader elektroner at blive overført til og fra rummet. Dette giver en helt ny funktionalitet, stærkt udvidelse af nanokompartmenters potentiale til at fungere som specialfremstillede kemiske fabrikker.

Forskere håber at skræddersy denne nye anvendelse til at producere kemiske produkter af høj værdi, såsom medicin, på forespørgsel.

De robuste nanocompartmenter, som er polyhedrale skaller sammensat af trekantede sider og ligner 20-sidede terninger, dannes af hundredvis af kopier af kun tre forskellige typer proteiner. Deres naturlige modstykker, kendt som bakterielle mikrokompartimenter eller BMC'er, omslutter en lang række enzymer, der udfører højt specialiseret kemi i bakterier.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) udtænkte syntetiske skalstrukturer, der stammer fra dem, der findes i en stangformet, havbakterie, Haliangium ochraceum, og genudviklede et af skalproteinerne til at tjene som et stillads for en jern-svovlklynge, der findes i mange former for liv. Klyngen er kendt som en "kofaktor", fordi den kan tjene som hjælpermolekyle i biokemiske reaktioner.

BMC-baserede skaller er små, holdbar og naturligt selvmonteret og selvreparerende, hvilket gør dem bedre egnet til en række applikationer end fuldstændigt syntetiske nanostrukturer.

"Dette er første gang, nogen har introduceret funktionalitet i en skal. Vi troede, at den vigtigste funktionalitet at introducere var evnen til at overføre elektroner til eller ud af skallen, "sagde Cheryl Kerfeld, en strukturbiolog ved Berkeley Lab og tilsvarende forfatter i denne undersøgelse. Kerfelds forskningsgruppe fokuserer på BMC'er. Kerfeld har fælles aftaler med Berkeley Labs division Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), UC Berkeley og MSU-DOE Plant Research Laboratory ved Michigan State University (MSU).

"Det forbedrer alsidigheden i de typer kemi, du kan indkapsle i skallen og spektret af produkter, der skal produceres, "sagde hun." Typisk skallerne betragtes som ganske enkelt passive barrierer. "

Forskere brugte røntgenstråler ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) til at vise, i 3-D og i atomskala, hvordan den introducerede jern-svovlklynge binder sig til det konstruerede protein.

Undersøgelsen er nu online i Journal of the American Chemical Society .

Enzymer inde i naturlige BMC'er kan omdanne kuldioxid til organiske forbindelser, der kan bruges af bakterierne, isolere giftige eller flygtige forbindelser fra den omgivende celle, og udføre andre kemiske reaktioner, der giver energi til cellen.

I dette studie, forskere introducerede jern-svovl-klyngen i de små porer i skalets byggesten. Dette konstruerede protein fungerer som et elektronrelæ på tværs af skallen, hvilket er nøglen til at kontrollere den kemiske reaktivitet af stoffer inde i skallen.

Clement Aussignargues, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen og postdoktoral forsker i MSU-DOE Plant Research Laboratory i Michigan, sagde, "Det skønne ved vores system er, at vi nu har alle værktøjer, især den krystallografiske struktur af det fremstillede protein, at ændre systemets redoxpotentiale - dets evne til at optage elektroner (reduktion) eller afgive elektroner (oxidation).

"Hvis vi kan kontrollere dette, vi kan udvide rækkevidden af ​​kemiske reaktioner, vi kan indkapsle i skallen. Grænsen for disse applikationer vil være, hvad vi putter inde i skallerne, ikke skallerne selv. "

Han tilføjede, "Det ville være meget at oprette et nyt mikrorum fra bunden meget kompliceret. Derfor tager vi det, naturen har lagt foran os, og forsøger at tilføje, hvad naturen kan. "

For at designe metalbindingsstedet, Kerfelds gruppe skulle først løse strukturerne i byggestenene i nanokompartiet, der skulle bruges som skabelon til design. Disse byggesten samler sig selv til syntetiske skaller, der måler kun 40 nanometer, eller milliarder af en meter, i diameter. Skallernes naturlige form kan være op til 12 gange større.

Jern-svovl-kofaktoren for det konstruerede protein, som blev produceret i E. coli bakterier, var meget stabil, selv når den blev gennemgået flere redox -cyklusser - en egenskab, der er afgørende for fremtidige applikationer, Sagde Aussignargues. "Det fremstillede protein var også mere stabilt end dets naturlige modstykke, hvilket var en stor overraskelse, "sagde han." Du kan behandle det med ting, der normalt får proteiner til at falde fra hinanden og slappe af. "

En stor udfordring i undersøgelsen var at forberede det konstruerede protein i et iltfrit miljø til at danne små krystaller, der bedst bevarer deres struktur og deres kofaktor til røntgenbilleder, Sagde Kerfeld. Krystallerne blev fremstillet i en lufttæt handskerum ved MSU, Frosset, og derefter sendt ud til røntgenundersøgelser ved Berkeley Labs ALS og SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL).

I opfølgende arbejde, forskergruppen undersøger, hvordan man kan inkorporere forskellige metalcentre i BMC -skaller for at få adgang til et andet område af kemisk reaktivitet, hun sagde.

"Jeg arbejder på at indarbejde et helt andet metalcenter, som har et meget positivt reduktionspotentiale sammenlignet med jern-svovlklyngen, "sagde Jeff Plegaria, en postdoktor ved MSU-DOE Plant Research Laboratory, der har bidraget til den seneste undersøgelse. "Men det er den samme slags idé:At drive elektroner ind eller ud af rummet."

Han tilføjede, "Det næste trin er at indkapsle proteiner, der kan acceptere elektroner i skallerne, og at bruge det som en sonde til at se elektronen overføre fra ydersiden af ​​rummet til indersiden. "Det vil bringe forskere tættere på at skabe bestemte typer lægemidler eller andre kemikalier.